JP7461080B2 - Lithium secondary batteries and anode-free batteries - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム2次電池、及びアノードフリー電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery and an anode-free battery.
近年、太陽光又は風力等の自然エネルギーを電気エネルギーに変換する技術が注目されている。これに伴い、安全性が高く、かつ多くの電気エネルギーを蓄えることができる蓄電デバイスとして、様々な2次電池が開発されている。 In recent years, technology for converting natural energy such as sunlight or wind power into electrical energy has been attracting attention. Along with this, various secondary batteries have been developed as power storage devices that are highly safe and can store a large amount of electrical energy.
その中でも、正極及び負極の間を金属イオンが移動することで充放電を行う2次電池は、高電圧及び高エネルギー密度を示すことが知られており、典型的には、リチウムイオン2次電池が知られている。典型的なリチウムイオン2次電池としては、正極及び負極にリチウムを保持することのできる活物質を導入し、正極活物質及び負極活物質の間でのリチウムイオンの授受によって充放電をおこなうものが挙げられる。また、負極に活物質を用いない2次電池として、負極表面上にリチウム金属を析出させることでリチウムを保持するリチウム金属2次電池が開発されている。 Among them, secondary batteries that charge and discharge by moving metal ions between the positive and negative electrodes are known to exhibit high voltage and high energy density, and are typically lithium ion secondary batteries. It has been known. A typical lithium-ion secondary battery is one in which active materials capable of holding lithium are introduced into the positive and negative electrodes, and charging and discharging are performed by transferring lithium ions between the positive and negative active materials. Can be mentioned. Furthermore, as a secondary battery that does not use an active material in the negative electrode, a lithium metal secondary battery that retains lithium by depositing lithium metal on the surface of the negative electrode has been developed.
例えば、特許文献1には、室温で少なくとも1Cのレートでの放電時に、1000Wh/Lを越える体積エネルギー密度及び/又は350Wh/kgを越える質量エネルギー密度を有する、高エネルギー密度、高出力リチウム金属アノード2次電池が開示されている。特許文献1は、そのようなリチウム金属アノード2次電池を実現するため、極薄リチウム金属アノードを用いることを開示している。For example, Patent Document 1 discloses a high-energy density, high-power lithium metal anode secondary battery having a volumetric energy density exceeding 1000 Wh/L and/or a mass energy density exceeding 350 Wh/kg when discharged at a rate of at least 1 C at room temperature. Patent Document 1 discloses the use of an ultra-thin lithium metal anode to realize such a lithium metal anode secondary battery.
また、特許文献2には、正極、負極、これらの間に介在された分離膜及び電解質を含むリチウム2次電池において、前記負極は、負極集電体上に金属粒子が形成され、充電によって前記正極から移動され、負極内の負極集電体上にリチウム金属を形成する、リチウム2次電池が開示されている。特許文献2は、そのようなリチウム2次電池は、リチウム金属の反応性による問題と、組み立ての過程で発生する問題点を解決し、性能及び寿命が向上されたリチウム二次電池を提供することができることを開示している。 Patent Document 2 also discloses a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator and an electrolyte interposed between them, in which metal particles are formed on a negative electrode current collector of the negative electrode, and are transferred from the positive electrode by charging to form lithium metal on the negative electrode current collector in the negative electrode. Patent Document 2 discloses that such a lithium secondary battery can provide a lithium secondary battery with improved performance and life by solving problems caused by the reactivity of lithium metal and problems that occur during the assembly process.
しかしながら、本発明者らが、上記特許文献に記載のものを始めとする従来の電池を詳細に検討したところ、エネルギー密度、容量、及びサイクル特性の少なくともいずれかが十分でないことがわかった。However, after the inventors conducted a detailed study of conventional batteries, including those described in the above patent documents, they found that at least one of the energy density, capacity, and cycle characteristics was insufficient.
例えば、正極活物質及び負極活物質の間での金属イオンの授受によって充放電をおこなう典型的な2次電池は、エネルギー密度及び容量が十分でない。また、従来の負極表面上にリチウム金属を析出させることでリチウムを保持するアノードフリー型のリチウム2次電池は、充放電を繰り返すことにより負極表面上にデンドライト状のリチウム金属が形成されやすく、短絡及び容量低下が生じやすい。その結果、サイクル特性が十分でない。For example, typical secondary batteries that charge and discharge by the exchange of metal ions between positive and negative active materials have insufficient energy density and capacity. In addition, conventional anode-free lithium secondary batteries that retain lithium by depositing lithium metal on the surface of the negative electrode are prone to the formation of dendritic lithium metal on the surface of the negative electrode through repeated charging and discharging, which makes them prone to short circuits and capacity loss. As a result, the cycle characteristics are insufficient.
また、アノードフリー型のリチウム2次電池において、リチウム金属析出時の離散的な成長を抑制するために、電池に大きな物理的圧力をかけて負極とセパレータとの界面を高圧に保つ方法も開発されている。しかしながら、そのような高圧の印加には大きな機械的機構が必要であるため、電池全体としては、重量及び体積が大きくなり、エネルギー密度が低下する。In addition, in anode-free lithium secondary batteries, a method has been developed in which a large physical pressure is applied to the battery to keep the interface between the negative electrode and the separator at high pressure in order to suppress the discrete growth of lithium metal during precipitation. However, the application of such high pressure requires a large mechanical mechanism, which increases the weight and volume of the entire battery and reduces its energy density.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、エネルギー密度及び容量が高く、サイクル特性に優れる、リチウム2次電池、及びアノードフリー電池を提供することを目的とする。The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a lithium secondary battery and an anode-free battery that have high energy density and capacity and excellent cycle characteristics.
本発明の一実施形態に係るリチウム2次電池は、正極集電体と、負極活物質を有しない負極と、上記正極集電体と上記負極の間に配置されているセパレータと、上記正極集電体と上記セパレータの間に配置されている正極活物質を有する正極と、電解液と、を備え、上記正極集電体と上記セパレータの間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む。 A lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode current collector, a negative electrode having no negative electrode active material, a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode, and the positive electrode collector. A positive electrode having a positive electrode active material disposed between the electric body and the separator, and an electrolyte, and a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the separator. include.
上記リチウム2次電池は、負極活物質を有しない負極を備えることにより、リチウム金属が負極の表面に析出し、及び、その析出したリチウム金属が電解溶出することによって充放電が行われるため、エネルギー密度が高い。 The above-mentioned lithium secondary battery is equipped with a negative electrode that does not have a negative electrode active material, so that lithium metal is deposited on the surface of the negative electrode, and charging and discharging is performed by electrolytically dissolving the deposited lithium metal. High density.
また、以下の理由から上記リチウム2次電池は、サイクル特性に優れ、エネルギー密度及び容量が一層高い。従来のアノードフリー型のリチウム2次電池では、サイクル特性を向上させるために電解液中のリチウムイオン濃度を高くする傾向にあるが、当該電解液中のリチウムイオンはリチウム金属の析出のためには消費されないため、そのような電解液中の高濃度のリチウムイオンは、エネルギー密度上昇の観点からは不利である。一方、上記リチウム2次電池は、充電時において、上記アニオン吸着性導電性高分子が電解液中に含まれるアニオンを吸着するため、正極に由来するリチウムイオンだけではなく、電解液中のアニオンの対イオンであるリチウムイオンを消費することよりリチウム金属を負極上に析出させることができ、高濃度のリチウムイオンを含む電解液を用いた場合でも、エネルギー密度及び容量を高くすることができる。更に、アニオン吸着性導電性高分子が電解液中に含まれるアニオンを吸着する反応は、正極からリチウムイオンが脱離する反応に比べて生じやすいため、上記リチウム2次電池では、充電の初期において、負極上へのリチウム金属析出反応の反応速度が緩やかになる。その結果、上記リチウム2次電池では、負極上にデンドライト状のリチウム金属が成長することが抑制され、サイクル特性が優れたものとなる。 Furthermore, for the following reasons, the lithium secondary battery has excellent cycle characteristics and higher energy density and capacity. In conventional anode-free type lithium secondary batteries, there is a tendency to increase the lithium ion concentration in the electrolyte in order to improve cycle characteristics, but the lithium ions in the electrolyte are not sufficient for the precipitation of lithium metal. Since it is not consumed, such a high concentration of lithium ions in the electrolyte is disadvantageous from the point of view of increasing energy density. On the other hand, in the lithium secondary battery, during charging, the anion-adsorbing conductive polymer adsorbs anions contained in the electrolyte, so not only lithium ions originating from the positive electrode but also anions in the electrolyte are absorbed. By consuming lithium ions, which are counter ions, lithium metal can be deposited on the negative electrode, and even when an electrolytic solution containing a high concentration of lithium ions is used, the energy density and capacity can be increased. Furthermore, the reaction in which the anion-adsorbing conductive polymer adsorbs anions contained in the electrolyte is more likely to occur than the reaction in which lithium ions are desorbed from the positive electrode. , the reaction rate of lithium metal precipitation on the negative electrode becomes slower. As a result, in the lithium secondary battery, the growth of dendrite-like lithium metal on the negative electrode is suppressed, resulting in excellent cycle characteristics.
本発明の一実施形態に係るリチウム2次電池は、正極集電体と、負極活物質を有しない負極と、上記正極集電体と上記負極の間に配置されている固体電解質と、上記正極集電体と上記固体電解質の間に配置されている正極活物質を有する正極と、を備え、上記正極集電体と上記固体電解質の間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む。A lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention comprises a positive electrode current collector, a negative electrode having no negative electrode active material, a solid electrolyte disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode, and a positive electrode having a positive electrode active material disposed between the positive electrode current collector and the solid electrolyte, and includes a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the solid electrolyte.
上記のような固体電解質を有するリチウム2次電池は、固体電解質中に含まれるアニオンが、上記アニオン吸着性導電性高分子に吸着することに起因して、固体電解質中に含まれるリチウムイオンが負極上へ析出するため、電解液を有していなくてもよい。そのような態様によれば、リチウム2次電池を固体電池とすることができるため、一層安全性の高いリチウム2次電池とすることができる。 In a lithium secondary battery having a solid electrolyte as described above, anions contained in the solid electrolyte are adsorbed to the anion-adsorbing conductive polymer, so that lithium ions contained in the solid electrolyte are absorbed into the negative electrode. Since it is deposited on top, it does not need to contain an electrolyte. According to such an aspect, since the lithium secondary battery can be a solid battery, a lithium secondary battery with even higher safety can be obtained.
上記リチウム2次電池は、上記正極集電体と上記正極との間に、上記アニオン吸着性導電性高分子を含有する高分子層が配置されていてもよい。そのような態様によれば、正極集電体と高分子層とが直接接触しているため、アニオン吸着性導電性高分子においてアニオンの吸着が一層生じやすく、リチウム2次電池は、一層サイクル特性が向上する。 In the lithium secondary battery, a polymer layer containing the anion-adsorbing conductive polymer may be disposed between the positive electrode current collector and the positive electrode. According to such an embodiment, since the positive electrode current collector and the polymer layer are in direct contact with each other, anions are more likely to be adsorbed in the anion-adsorbing conductive polymer, and the lithium secondary battery has better cycle characteristics. will improve.
上記リチウム2次電池は、上記正極の上記正極集電体とは反対側の面に、上記アニオン吸着性導電性高分子を含有する高分子層が配置されていてもよい。 In the lithium secondary battery, a polymer layer containing the anion-adsorbing conductive polymer may be disposed on a surface of the positive electrode opposite to the positive electrode current collector.
上記リチウム2次電池は、上記正極に、上記アニオン吸着性導電性高分子が含まれるものであってもよい。 In the lithium secondary battery, the anion-adsorbing conductive polymer may be included in the positive electrode.
上記リチウム2次電池における上記アニオン吸着性導電性高分子の含有量は、好ましくは、上記正極活物質及び上記アニオン吸着性導電性高分子の容量の合計に対して、容量比で、1%以上15%以下である。そのような態様によれば、エネルギー密度及び容量と、サイクル特性とのバランスに一層優れるようになる。 The content of the anion-adsorbing conductive polymer in the lithium secondary battery is preferably 1% or more in terms of capacity ratio to the total capacity of the positive electrode active material and the anion-adsorbing conductive polymer. It is 15% or less. According to such an embodiment, a better balance between energy density, capacity, and cycle characteristics can be achieved.
上記リチウム2次電池は、リチウム金属が負極の表面に析出し、及び、その析出したリチウムが溶解することによって充放電が行われるリチウム2次電池であってもよい。そのような態様によれば、エネルギー密度が一層高くなる。 The lithium secondary battery may be a lithium secondary battery in which lithium metal is deposited on the surface of a negative electrode, and charging and discharging are performed by dissolving the deposited lithium. According to such an embodiment, the energy density becomes even higher.
上記負極は、好ましくは、Cu、Ni、Ti、Fe、及び、その他Liと反応しない金属、及び、これらの合金、並びに、ステンレス鋼(SUS)からなる群より選択される少なくとも1種からなる電極である。そのような態様によれば、製造の際に可燃性の高いリチウム金属を用いなくてよいため、一層安全性及び生産性に優れるものとなる。また、そのような負極は安定であるため、2次電池のサイクル特性は一層向上する。The negative electrode is preferably an electrode made of at least one selected from the group consisting of Cu, Ni, Ti, Fe, and other metals that do not react with Li, and alloys thereof, and stainless steel (SUS). According to such an embodiment, highly flammable lithium metal is not required during production, resulting in even greater safety and productivity. In addition, such a negative electrode is stable, and therefore the cycle characteristics of the secondary battery are further improved.
上記リチウム2次電池は、好ましくは、初期充電の前に、上記負極の表面にリチウム箔が形成されていない。そのような態様によれば、製造の際に可燃性の高いリチウム金属を用いなくてよいため、一層安全性及び生産性に優れるものとなる。 Preferably, in the lithium secondary battery, no lithium foil is formed on the surface of the negative electrode before initial charging. According to such an embodiment, since it is not necessary to use highly flammable lithium metal during manufacturing, safety and productivity are further improved.
上記リチウム2次電池は、好ましくは、エネルギー密度が350Wh/kg以上である。The lithium secondary battery preferably has an energy density of 350 Wh/kg or more.
本発明の一実施形態に係るアノードフリー電池は、正極集電体と、負極と、上記正極集電体と上記負極の間に配置されているセパレータと、上記正極集電体と上記セパレータの間に配置されている正極活物質を有する正極と、電解液と、を備え、上記正極集電体と上記セパレータの間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む。An anode-free battery according to one embodiment of the present invention comprises a positive electrode current collector, a negative electrode, a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode, a positive electrode having a positive electrode active material disposed between the positive electrode current collector and the separator, and an electrolyte, and includes a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the separator.
上記電池は、アノードフリー電池であるため、エネルギー密度が高い。また、以下の理由から上記アノードフリー電池は、サイクル特性に優れ、エネルギー密度及び容量が一層高い。従来のアノードフリー型の電池では、サイクル特性を向上させるために電解液中の電解質の濃度を高くする傾向にあるが、当該電解液中の金属イオンは金属の析出のためには消費されないため、そのような電解液中の高濃度の電解質は、エネルギー密度上昇の観点からは不利である。一方、上記アノードフリー電池は、充電時において、上記アニオン吸着性導電性高分子が電解液中に含まれるアニオンを吸着するため、正極に由来する金属イオンだけではなく、電解液中のアニオンの対イオンである金属イオンを消費することより金属を負極上に析出させることができ、高濃度の金属イオンを含む電解液を用いた場合でも、エネルギー密度及び容量を高くすることができる。更に、アニオン吸着性導電性高分子が電解液中に含まれるアニオンを吸着する反応は、正極から金属イオンが脱離する反応に比べて生じやすいため、上記アノードフリー電池では、充電の初期において、負極上への金属析出反応の反応速度が緩やかになる。その結果、上記アノードフリー電池では、負極上にデンドライト状の金属が成長することが抑制され、サイクル特性が優れたものとなる。Since the battery is an anode-free battery, it has a high energy density. In addition, the anode-free battery has excellent cycle characteristics and a higher energy density and capacity for the following reasons. In conventional anode-free batteries, the concentration of electrolyte in the electrolyte solution tends to be increased in order to improve cycle characteristics, but since the metal ions in the electrolyte solution are not consumed for metal precipitation, such a high concentration of electrolyte in the electrolyte solution is disadvantageous in terms of increasing energy density. On the other hand, in the anode-free battery, the anion-adsorbing conductive polymer adsorbs anions contained in the electrolyte solution during charging, so that metal can be precipitated on the negative electrode by consuming not only metal ions derived from the positive electrode but also metal ions that are counterions of the anions in the electrolyte solution, and the energy density and capacity can be increased even when an electrolyte solution containing a high concentration of metal ions is used. Furthermore, since the reaction in which the anion-adsorbing conductive polymer adsorbs anions contained in the electrolyte solution occurs more easily than the reaction in which metal ions are released from the positive electrode, the reaction rate of the metal deposition reaction on the negative electrode is slow in the early stage of charging in the anode-free battery. As a result, in the anode-free battery, the growth of dendritic metal on the negative electrode is suppressed, resulting in excellent cycle characteristics.
本発明によれば、エネルギー密度及び容量が高く、サイクル特性に優れるリチウム2次電池、及びアノードフリー電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium secondary battery and an anode-free battery that have high energy density and capacity and excellent cycle characteristics.
以下、必要に応じて図面を参照しつつ、本発明の実施の形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、図面中、同一要素には同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this embodiment") will be described in detail below, with reference to the drawings as necessary. In addition, in the drawings, the same elements are given the same reference numerals, and overlapping explanations will be omitted. In addition, the positional relationships such as top, bottom, left, and right are based on the positional relationships shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios.
[第1の本実施形態]
(リチウム2次電池)
図1は、第1の本実施形態に係るリチウム2次電池の概略断面図である。図1に示すように、第1の本実施形態のリチウム2次電池100は、正極110と、負極活物質を有しない負極140と、正極110と負極140との間に配置されているセパレータ130と、正極110とセパレータ130との間に配置されている高分子層120と、図1には図示されていない電解液とを備える。正極集電体150は、正極110の高分子層120に対向する面とは反対側に配置されている。
[First embodiment]
(Lithium secondary battery)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the lithium
(負極)
負極140は、負極活物質を有しないものである。負極活物質を有する負極を備えるリチウム2次電池は、その負極活物質の存在に起因して、エネルギー密度を高めることが困難である。一方、本実施形態のリチウム2次電池100は負極活物質を有しない負極140を備えるため、そのような問題が生じない。すなわち、本実施形態のリチウム2次電池100は、リチウム金属が負極140上に析出し、及び、その析出したリチウム金属が電解溶出することによって充放電が行われるため、エネルギー密度が高い。
(Negative electrode)
The
なお、本実施形態において、「リチウム金属が負極上に析出する」とは、特に断りがない限りにおいて、負極の表面、及び負極の表面に形成された後述する固体電解質界面層(SEI層)の表面の少なくとも1箇所に、リチウム金属が析出することを意味する。したがって、リチウム2次電池100において、リチウム金属は、例えば、負極140の表面(負極140とセパレータ130との界面)に析出してもよい。
In this embodiment, unless otherwise specified, "lithium metal is deposited on the negative electrode" refers to the surface of the negative electrode and the solid electrolyte interface layer (SEI layer) formed on the surface of the negative electrode, which will be described later. This means that lithium metal is deposited on at least one location on the surface. Therefore, in the lithium
本明細書において、特に断りがない限りにおいて、「負極活物質」とは、リチウムイオン、又はリチウム金属を負極140に保持するための物質を意味し、リチウム元素(典型的にはリチウム金属)のホスト物質と換言してもよい。そのような保持の機構としては、特に限定されないが、例えば、インターカレーション、合金化、及び金属クラスターの吸蔵等が挙げられ、典型的には、インターカレーションである。
In this specification, unless otherwise specified, "negative electrode active material" means a material for holding lithium ions or lithium metal in the
そのような負極活物質としては、特に限定されないが、例えば、炭素系物質、金属酸化物、並びにリチウムと合金化する金属、及び該金属を含む合金等が挙げられる。上記炭素系物質としては、特に限定されないが、例えば、グラフェン、グラファイト、ハードカーボン、メソポーラスカーボン、カーボンナノチューブ、及びカーボンナノホーン等が挙げられる。上記金属酸化物としては、特に限定されないが、例えば、酸化チタン系化合物、酸化スズ系化合物、及び酸化コバルト系化合物等が挙げられる。上記リチウムと合金化する金属としては、例えば、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛、アルミニウム、及びガリウムが挙げられる。 Examples of such negative electrode active materials include, but are not limited to, carbon-based materials, metal oxides, metals that alloy with lithium, and alloys containing such metals. Examples of the carbon-based materials include, but are not limited to, graphene, graphite, hard carbon, mesoporous carbon, carbon nanotubes, and carbon nanohorns. Examples of the metal oxides include, but are not limited to, titanium oxide compounds, tin oxide compounds, and cobalt oxide compounds. Examples of the metals that alloy with lithium include silicon, germanium, tin, lead, aluminum, and gallium.
負極140としては、負極活物質を有さず、集電体として用いることができるものであれば特に限定されないが、例えば、Cu、Ni、Ti、Fe、及び、その他Liと反応しない金属、及び、これらの合金、並びに、ステンレス鋼(SUS)からなる群より選択される少なくとも1種からなるものが挙げられる。なお、負極140にSUSを用いる場合、SUSの種類としては従来公知の種々のものを用いることができる。上記のような負極材料は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。なお、本明細書中、「Liと反応しない金属」とは、リチウム2次電池の動作条件においてリチウムイオン又はリチウム金属と反応して合金化することがない金属を意味する。The
負極140は、好ましくはリチウムを含有しない電極である。そのような態様によれば、製造の際に可燃性の高いリチウム金属を用いなくてよいため、リチウム2次電池100は、一層安全性及び生産性に優れるものとなる。同様の観点及び負極140の安定性向上の観点から、その中でも、負極140は、より好ましくは、Cu、Ni、及び、これらの合金、並びに、ステンレス鋼(SUS)からなる群より選択される少なくとも1種からなるものである。同様の観点から、負極140は、更に好ましくは、Cu、Ni、又はこれらからなる合金からなるものであり、特に好ましくはCu、又はNiからなるものである。The
本明細書において、「負極が負極活物質を有しない」とは、負極における負極活物質の含有量が、負極全体に対して10質量%以下であることを意味する。負極における負極活物質の含有量は、負極全体に対して、好ましくは5.0質量%以下であり、1.0質量%以下であってもよく、0.1質量%以下であってもよく、0.0質量%以下であってもよい。なお、リチウム2次電池100が負極活物質を有しない負極を備えるということは、リチウム2次電池100が、一般的に用いられる意味でのアノードフリー2次電池、ゼロアノード2次電池、又はアノードレス2次電池であることを意味する。
As used herein, "the negative electrode does not contain a negative electrode active material" means that the content of the negative electrode active material in the negative electrode is 10% by mass or less based on the entire negative electrode. The content of the negative electrode active material in the negative electrode is preferably 5.0% by mass or less, may be 1.0% by mass or less, and may be 0.1% by mass or less, based on the entire negative electrode. , 0.0% by mass or less. Note that the fact that the lithium
負極140の容量は、正極110の容量に対して十分小さく、例えば、20%以下、15%以下、10%以下、又は5%以下であってもよい。したがって、負極140は、負極集電体と換言することもできる。なお、正極110、及び負極140の各容量は、従来公知の方法により測定することができる。The capacity of the
負極140の平均厚さは、好ましくは4μm以上20μm以下であり、より好ましくは5μm以上18μm以下であり、更に、好ましくは6μm以上15μm以下である。そのような態様によれば、リチウム2次電池100における負極140の占める体積が減少するため、リチウム2次電池100のエネルギー密度が一層向上する。The average thickness of the
(正極)
正極110としては、正極活物質を有する限り、一般的にリチウム2次電池に用いられるものであれば、特に限定されないが、リチウム2次電池の用途によって、公知の材料を適宜選択することができる。正極110は、正極活物質を有するため、安定性及び出力電圧が高い。
(Positive electrode)
The
本明細書において、「正極活物質」とは、リチウム元素(典型的には、リチウムイオン)を正極110に保持するための物質を意味し、リチウム元素(典型的には、リチウムイオン)のホスト物質と換言してもよい。In this specification, "positive electrode active material" means a material for retaining lithium element (typically, lithium ions) in the
そのような正極活物質としては、特に限定されないが、例えば、金属酸化物及び金属リン酸塩が挙げられる。上記金属酸化物としては、特に限定されないが、例えば、酸化コバルト系化合物、酸化マンガン系化合物、及び酸化ニッケル系化合物等が挙げられる。上記金属リン酸塩としては、特に限定されないが、例えば、リン酸鉄系化合物、及びリン酸コバルト系化合物が挙げられる。典型的な正極活物質としては、LiCoO2、LiNixCoyMnzO(x+y+z=1)、LiNixMnyO(x+y=1)、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO、LiCoPO、LiFeOF、LiNiOF、及びTiS2が挙げられる。上記のような正極活物質は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。 Such positive electrode active materials include, but are not particularly limited to, metal oxides and metal phosphates. Examples of the metal oxide include, but are not particularly limited to, cobalt oxide compounds, manganese oxide compounds, and nickel oxide compounds. The metal phosphates are not particularly limited, but include, for example, iron phosphate compounds and cobalt phosphate compounds. Typical positive electrode active materials include LiCoO 2 , LiNix Co y Mn z O (x+y+z=1), LiNix Mn y O (x+y=1), LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO, LiCoPO, LiFeOF, Examples include LiNiOF and TiS2 . The above positive electrode active materials may be used alone or in combination of two or more.
正極110は、上記の正極活物質以外の成分を含んでいてもよい。そのような成分としては、特に限定されないが、例えば、公知の導電助剤、バインダー、固体ポリマー電解質、及び無機固体電解質が挙げられる。
The
正極110における導電助剤としては、特に限定されないが、例えば、カーボンブラック、シングルウォールカーボンナノチューブ(SWCNT)、マルチウォールカーボンナノチューブ(MWCNT)、カーボンナノファイバー(CF)、及びアセチレンブラック等が挙げられる。また、バインダーとしては、特に限定されないが、例えば、ポリビニリデンフロライド、ポリテトラフルオロエチレン、スチレンブタジエンゴム、アクリル樹脂、及びポリイミド樹脂等が挙げられる。The conductive additive in the
正極110における、正極活物質の含有量は、正極110全体に対して、例えば、50質量%以上100質量%以下であってもよい。導電助剤の含有量は、正極110全体に対して、例えば、0.5質量%30質量%以下あってもよい。バインダーの含有量は、正極110全体に対して、例えば、0.5質量%30質量%以下であってもよい。固体ポリマー電解質、及び無機固体電解質の含有量の合計は、正極110全体に対して、例えば、0.5質量%30質量%以下であってもよい。
The content of the positive electrode active material in the
(正極集電体)
正極110の片側には、正極集電体150が配置されている。正極集電体150は、電池においてリチウムイオンと反応しない導電体であれば特に限定されない。そのような正極集電体としては、例えば、アルミニウムが挙げられる。
(Positive electrode current collector)
A positive electrode
正極集電体150の平均厚さは、好ましくは4μm以上20μm以下であり、より好ましくは5μm以上18μm以下であり、更に、好ましくは6μm以上15μm以下である。そのような態様によれば、リチウム2次電池100における正極集電体150の占める体積が減少するため、リチウム2次電池100のエネルギー密度が一層向上する。The average thickness of the
(セパレータ)
セパレータ130は、正極110と負極140とを隔離することにより電池が短絡することを防ぎつつ、正極110と負極140との間の電荷キャリアとなるリチウムイオンのイオン伝導性を確保するための部材であり、電子導電性を有さず、リチウムイオンと反応しない材料により構成される。また、セパレータ130は当該電解液を保持する役割も担う。セパレータ130は、上記役割を担う限りにおいて限定はないが、例えば、多孔質のポリエチレン(PE)膜、ポリプロピレン(PP)膜、又はこれらの積層構造により構成される。
(Separator)
The
セパレータ130は、セパレータ被覆層により被覆されていてもよい。セパレータ被覆層は、セパレータ130の両面を被覆していてもよく、片面のみを被覆していてもよい。セパレータ被覆層は、イオン伝導性を有し、リチウムイオンと反応しない部材であれば特に限定されないが、セパレータ130と、セパレータ130に隣接する層とを強固に接着させることができるものであると好ましい。そのようなセパレータ被覆層としては、特に限定されないが、例えば、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、スチレンブタジエンゴムとカルボキシメチルセルロースの合材(SBR-CMC)、ポリアクリル酸(PAA)、ポリアクリル酸リチウム(Li-PAA)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、及びアラミドのようなバインダーを含むものが挙げられる。セパレータ被覆層は、上記バインダーにシリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、硝酸リチウム等の無機粒子を添加させてもよい。なお、セパレータ130は、セパレータ被覆層を有するセパレータを包含するものである。
セパレータ130の平均厚さは、好ましくは30μm以下であり、より好ましくは25μm以下であり、更に好ましくは20μm以下である。そのような態様によれば、リチウム2次電池100におけるセパレータ130の占める体積が減少するため、リチウム2次電池100のエネルギー密度が一層向上する。また、セパレータ130の平均厚さは、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは7μm以上であり、更に好ましくは10μm以上である。そのような態様によれば、正極110と負極140とを一層確実に隔離することができ、電池が短絡することを一層抑止することができる。
The average thickness of the
(高分子層)
高分子層120は、アニオン吸着性導電性高分子を含有する層であり、好ましくはアニオン吸着性導電性高分子からなる層である。高分子層120は、セパレータ130と正極110との間に配置されており、セパレータ130側に形成されていてもよく、正極110側に形成されていてもよい。リチウム2次電池100は、高分子層120が正極110に接触するように構成されていると好ましい。高分子層120が正極110に接触するように構成されていない場合、リチウム2次電池は、その使用時に、高分子層120が正極110に接触するように、電池の厚さ方向に圧力をかければよい。
(Polymer Layer)
The
本明細書において、「アニオン吸着性導電性高分子」とは、電池の充電時にアニオンを吸着する、又は吸着することができる高分子であって、導電性を有する、又は当該アニオンの吸着により導電性を発現する高分子を意味する。高分子層120は、そのようなアニオン吸着性導電性高分子を有するため、リチウム2次電池100の充電時において、電解液中に含まれるアニオンを吸着すると共に、正極110及び正極集電体150を介して負極140に電子を供給する。ここで、リチウム2次電池100全体としては、電解液中の電気的中性を維持するために、吸着されたアニオンの対イオンであるリチウムイオンが負極140上で還元され、負極上にリチウム金属が析出する。このようなアニオンの吸着に起因する負極上へのリチウム金属の析出は、正極活物質からリチウムイオンが脱離することに起因する負極上へのリチウム金属の析出に比べて生じやすい(低電圧条件で生じる)ため、リチウム2次電池100では、充電の初期において、負極上へのリチウム金属析出反応の反応速度が緩やかとなる。その結果、リチウム2次電池100は、負極上にデンドライト状のリチウム金属が成長することが抑制され、サイクル特性に優れたものとなる。ただし、リチウム2次電池100がサイクル特性に優れる要因は上記に限られない。In this specification, the term "anion-adsorbing conductive polymer" refers to a polymer that adsorbs or can adsorb anions during charging of the battery, has conductivity, or exhibits conductivity due to the adsorption of the anions. Since the
また、上記のとおりリチウム2次電池100は、充電時、特に充電の初期において、電解液中のリチウムイオンが消費されて負極上にリチウム金属が析出するため、下記の理由からエネルギー密度及び容量が高い。すなわち、従来のアノードフリー型のリチウム2次電池では、サイクル特性を向上させるために電解液中のリチウムイオン濃度を高くする傾向にあるが、当該電解液中のリチウムイオンはリチウム金属の析出のためには消費されないため、そのような高濃度のリチウムイオンは、エネルギー密度上昇の観点からは不利である。一方、電解液中のリチウムイオンが消費されて負極上にリチウム金属が析出することができるリチウム2次電池100は、電解液中のリチウムイオンをリチウム源に利用することができるため、電解液中の高濃度のリチウムイオンがエネルギー密度の観点からも不利にならず、優れたサイクル特性と、高いエネルギー密度及び容量を両立することができる。ただし、リチウム2次電池100が優れたサイクル特性と、高いエネルギー密度及び容量を両立することができる要因は上記に限られない。
In addition, as mentioned above, during charging, especially in the initial stage of charging, the lithium
なお、「充電の初期」とは、電池の充電率(ステート・オブ・チャージ(SOC))が低い状況における充電段階を意味し、例えば、充電率が40%以下、25%以下、又は10%以下における充電段階を指す。ただし、上記の具体的な数値は、アニオン吸着性導電性高分子の含有量にも依存する。電池の充電率は、電池の開放電圧を測定することにより見積もることができる。 Note that "early charging" refers to the charging stage when the battery's state of charge (SOC) is low, for example, when the charge rate is 40% or less, 25% or less, or 10% or less. However, the above specific values also depend on the content of the anion-adsorbing conductive polymer. The battery's charge rate can be estimated by measuring the open-circuit voltage of the battery.
アニオン吸着性導電性高分子としては、電池の充電時にアニオンを吸着する、又は吸着することができる高分子であって、導電性を有する、又は当該アニオンの吸着により導電性を発現する高分子であれば特に限定されない。リチウム2次電池100のサイクル特性を一層向上させる観点から、アニオン吸着性導電性高分子は、リチウム対極に対して、好ましくは3.0V以下、より好ましくは2.5V以下、更に好ましくは2.0V以下の電位でアニオンドーピングが生じ、すなわち、アニオンを吸着することができる。The anion-adsorbing conductive polymer is not particularly limited as long as it is a polymer that adsorbs or can adsorb anions during battery charging, has electrical conductivity, or exhibits electrical conductivity by adsorbing the anions. From the viewpoint of further improving the cycle characteristics of the lithium
アニオン吸着性導電性高分子としては、例えば、高分子主鎖に共役系を有する高分子が挙げられる。そのような高分子は、電解液中、所定の電位を印加すると、電解液中のアニオンがドープされ、導電性を発現するものであり、すなわち、アニオンを吸着し、当該アニオンの吸着により導電性を発現する。アニオン吸着性導電性高分子の非限定的な例示としては、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリエチレンジオキシチオフェン、ポリp-フェニレン、ポリフルオレン、ポリp-フェニレンビニレン、及びポリチエニレンビニレン、並びにこれらの誘導体(高分子主鎖に共役系を有するものに限る。)が挙げられる。なお、上記の高分子は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。 Examples of the anion-adsorbing conductive polymer include polymers having a conjugated system in the polymer main chain. When such a polymer is applied with a predetermined potential in an electrolytic solution, anions in the electrolytic solution are doped and the polymer exhibits conductivity. Express. Non-limiting examples of anion adsorbing conductive polymers include polyacetylene, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyethylene dioxythiophene, poly p-phenylene, polyfluorene, poly p-phenylene vinylene, and polythienylene vinylene; These derivatives (limited to those having a conjugated system in the polymer main chain) can be mentioned. The above-mentioned polymers may be used alone or in combination of two or more.
高分子層120は、アニオン吸着性導電性高分子以外の成分を含有していてもよい。アニオン吸着性導電性高分子以外の成分としては、例えば、アニオン吸着性導電性高分子以外の高分子、セパレータ被覆層が含み得る無機粒子、並びに、正極110が含み得る公知の導電助剤、バインダー、固体ポリマー電解質、及び無機固体電解質等が挙げられる。
The
高分子層120の厚さは特に限定されないが、好ましくは100nm以上50μm以下であり、より好ましくは500nm以上10μm以下であり、更に好ましくは1.0μm以上5.0μm以下である。高分子層の厚さが上記の範囲内にあることにより、リチウム2次電池100のエネルギー密度及び容量と、サイクル特性とのバランスを向上させることができる。
The thickness of the
リチウム2次電池100において、アニオン吸着性導電性高分子の含有量は、好ましくは、正極活物質及びアニオン吸着性導電性高分子の容量の合計に対して、容量比で、1%以上15%以下であり、より好ましくは5%以上10%以下である。なお、正極活物質及びアニオン吸着性導電性高分子の各容量は、従来公知の方法により測定することができる。
In the lithium
(電解液)
リチウム2次電池100において、電解液は、セパレータ130に浸潤させてもよく、正極110と、高分子層120と、セパレータ130と、負極140との積層体と共に、電解液を密閉容器に封入してもよい。電解液は、電解質及び溶媒を含有し、イオン伝導性を有する溶液であり、リチウムイオンの導電経路として作用する。このため、リチウム2次電池100は、内部抵抗が一層低下し、エネルギー密度、容量、及びサイクル特性が一層向上する。
(Electrolyte)
In the lithium
電解液中の電解質としては、リチウム塩を含んでいればよいが、その他の塩、例えば、Na、K、Ca、及びMgの塩等を含んでいてもよい。電解質のアニオンとしては、特に限定されないが、例えば、I-、Cl-、Br-、F-、ClO4 -、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、SO3CF3 -、N(SO2F)2 -、N(SO2CF3)2 -、N(SO2CF3CF3)2 -、B(O2C2H4)2 -、B(O2C2H4)F2 -、B(OCOCF3)4 -、NO3 -、及びSO4 2-等が挙げられる。アニオン吸着性導電性高分子とアニオンとの相互作用を高める観点から、電解質のアニオンとしては、ClO4 -、BF4 -、PF6 -、AsF6 -、及びN(SO2F)2 -が好ましく、BF4 -、PF6 -、及びN(SO2F)2 -がより好ましい。 The electrolyte in the electrolytic solution may contain a lithium salt, but may also contain other salts, such as Na, K, Ca, and Mg salts. Examples of electrolyte anions include, but are not limited to, I - , Cl - , Br - , F - , ClO 4 - , BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , SO 3 CF 3 - , N(SO 2F ) 2- , N ( SO2CF3 ) 2- , N ( SO2CF3CF3 ) 2- , B ( O2C2H4 ) 2- , B ( O2C2H4 )F 2- , B( OCOCF3 ) 4- , NO3- , SO42- , and the like. From the viewpoint of enhancing the interaction between the anion-adsorbing conductive polymer and anions, the anions of the electrolyte include ClO 4 - , BF 4 - , PF 6 - , AsF 6 - , and N(SO 2 F) 2 - . Preferably, BF 4 - , PF 6 - and N(SO 2 F) 2 - are more preferable.
リチウム塩としては、特に限定されないが、LiI、LiCl、LiBr、LiF、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF3CF3)2、LiB(O2C2H4)2、LiB(O2C2H4)F2、LiB(OCOCF3)4、LiNO3、及びLi2SO4等が挙げられる。リチウム2次電池100のエネルギー密度、容量、及びサイクル特性を一層向上させる観点から、リチウム塩は、LiN(SO2F)2が好ましい。なお、上記のリチウム塩は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。 Examples of the lithium salt include, but are not limited to, LiI, LiCl, LiBr, LiF , LiBF4 , LiPF6 , LiAsF6 , LiSO3CF3 , LiN ( SO2F ) 2 , LiN ( SO2CF3 ) 2 , LiN( SO2CF3CF3 ) 2 , LiB (O2C2H4)2, LiB(O2C2H4)F2, LiB(OCOCF3)4 , LiNO3 , and Li2SO4 . From the viewpoint of further improving the energy density, capacity, and cycle characteristics of the lithium secondary battery 100, the lithium salt is preferably LiN(SO2F ) 2 . The above lithium salts may be used alone or in combination of two or more.
溶媒としては、特に限定されないが、例えば、ジメトキシエタン、ジメチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、炭酸ジメチル、炭酸ジエチル、炭酸エチルメチル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、フロロエチレンカーボネート、ジフロロエチレンカーボネート、トリフロロメチルプロピレンカーボネート、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、ノナフロロブチルメチルエーテル、ノナフロロブチルエチルーテル、テトラフロロエチルテトラフロロプロピルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル、リン酸トリメチル、及びリン酸トリエチルが挙げられる。上記の溶媒は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。 The solvent is not particularly limited, but examples thereof include dimethoxyethane, dimethyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, chloroethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, trifluoromethyl propylene carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, nonafluorobutyl methyl ether, nonafluorobutyl ethyl ether, tetrafluoroethyl tetrafluoropropyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether, trimethyl phosphate, and triethyl phosphate. The above solvents may be used alone or in combination of two or more.
電解液における電解質の濃度は特に限定されないが、好ましくは0.5M以上であり、より好ましくは0.7M以上であり、更に好ましくは0.9M以上であり、更により好ましくは1.1M以上である。電解質の濃度が上記の範囲内にあることにより、リチウム2次電池100は、一層優れたサイクル特性と、一層高いエネルギー密度及び容量を両立することができる。電解質の濃度の上限は特に限定されず、電解質の濃度は10.0M以下であってもよく、5.0M以下であってもよく、2.0M以下であってもよい。The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably 0.5 M or more, more preferably 0.7 M or more, even more preferably 0.9 M or more, and even more preferably 1.1 M or more. By having the electrolyte concentration within the above range, the lithium
(リチウム2次電池の使用)
図2に本実施形態のリチウム2次電池の1つの使用態様を示す。リチウム2次電池200は、リチウム2次電池100において、正極集電体150及び負極140に、リチウム2次電池を外部回路に接続するための正極端子220及び負極端子210がそれぞれ接合されている。リチウム2次電池200は、負極端子210を外部回路の一端に、正極端子220を外部回路のもう一端に接続することにより充放電される。
(Use of lithium secondary batteries)
2 shows one mode of use of the lithium secondary battery of this embodiment. In the lithium
正極端子220及び負極端子210の間に、負極端子210から外部回路を通り正極端子220へと電流が流れるような電圧を印加することでリチウム2次電池200が充電される。リチウム2次電池200を充電することにより、負極上にリチウム金属の析出が生じる。リチウム2次電池200の充電時、特に充電の初期において、高分子層120のアニオン吸着性導電性高分子は、電解液中のアニオンを吸着し、それに起因したリチウム金属の析出が負極上で生じる。
The lithium
リチウム2次電池200は、電池の組み立て後の第1回目の充電(以下、「初期充電」という。)により、負極140の表面(負極140とセパレータ130との界面)に固体電解質界面層(SEI層)が形成されていてもよい。形成されるSEI層としては、特に限定されないが、例えば、リチウムを含む無機化合物、及びリチウムを含む有機化合物等を含んでいてもよい。SEI層の典型的な平均厚さとしては、1nm以上10μm以下である。
The lithium
充電後のリチウム2次電池200について、正極端子220及び負極端子210を接続するとリチウム2次電池200が放電される。これにより、負極上に生じたリチウム金属の析出が電解溶出する。また、アニオン吸着性導電性高分子からアニオンが放出される。
When the
(リチウム2次電池の製造方法)
図1に示すようなリチウム2次電池100の製造方法としては、上述の構成を備えるリチウム2次電池を製造することができる方法であれば特に限定されないが、例えば以下のような方法が挙げられる。
(Method of manufacturing lithium secondary battery)
The method for manufacturing the lithium
まず、正極110を公知の製造方法により、又は市販のものを購入することにより準備する。正極110は例えば以下のようにして製造する。上述した正極活物質、公知の導電助剤、及び公知のバインダーを混合し、正極混合物を得る。その配合比は、例えば、上記正極混合物全体に対して、正極活物質が50質量%以上99質量%以下、導電助剤が0.5質量%30質量%以下、バインダーが0.5質量%30質量%以下であってもよい。得られた正極混合物を、所定の厚さ(例えば、5μm以上1mm以下)を有する正極集電体としての金属箔(例えば、Al箔)の片面に塗布し、プレス成型する。得られた成型体を、打ち抜き加工により、所定のサイズに打ち抜き、正極集電体150上に形成された正極110を得る。
First, the
次に、上述した負極材料、例えば1μm以上1mm以下の金属箔(例えば、電解Cu箔)を、スルファミン酸を含む溶剤で洗浄した後に所定の大きさに打ち抜き、更に、エタノールで超音波洗浄した後、乾燥させることにより負極140を得る。
Next, the above-mentioned negative electrode material, for example, a metal foil (for example, electrolytic Cu foil) with a size of 1 μm or more and 1 mm or less, is cleaned with a solvent containing sulfamic acid and then punched into a predetermined size, and then ultrasonically cleaned with ethanol. , a
次に、上述した構成を有するセパレータ130を準備する。セパレータ130は従来公知の方法で製造してもよく、市販のものを用いてもよい。
Next,
高分子層120は、セパレータ130の片面(正極110に対向する面)に形成してもよく、正極110の片面(セパレータ130に対向する面)に形成してもよい。高分子層120は、上記のアニオン吸着性導電性高分子をm-クレゾール、水、又はキシレン等の溶媒に溶解させて得られる溶液を、セパレータ130又は正極110の片面に、ディップコート法やスピンコート法等の方法により塗布し、溶媒を乾燥、除去させることにより得ることができる。高分子溶液の塗布方法としては、コンマコーター、グラビアコーター、及びダイコーターのような装置を用いる方法を用いることもできる。なお、上記のアニオン吸着性導電性高分子を含む溶液に、アニオン吸着性導電性高分子以外の高分子、セパレータ被覆層が含み得る無機粒子、並びに、正極110が含み得る公知の導電助剤、バインダー、固体ポリマー電解質、及び無機固体電解質等を添加してもよい。
The
電解液は、上記の溶媒に上記の電解質(典型的には、リチウム塩)を溶解させることにより調製すればよい。 The electrolytic solution may be prepared by dissolving the above electrolyte (typically, a lithium salt) in the above solvent.
以上のようにして得られた、正極110が形成された正極集電体150、セパレータ130、及び負極140を、この順に積層することで図1に示されるような積層体を得る。なお、上記のとおり、セパレータ130又は正極110の片面には、高分子層120が形成されている。得られた積層体を、電解液と共に密閉容器に封入することでリチウム2次電池100を得ることができる。密閉容器としては、特に限定されないが、例えば、ラミネートフィルムが挙げられる。
The positive electrode
[第2の本実施形態]
(リチウム2次電池)
図3は、第2の本実施形態に係るリチウム2次電池の概略断面図である。図3に示すように、第2の本実施形態のリチウム2次電池300は、正極集電体150と、正極集電体150上に形成されている高分子層120と、高分子層120の正極集電体150とは反対側に配置されている正極110と、負極活物質を有しない負極140と、正極110と負極140との間に配置されているセパレータ130と、図3には図示されていない電解液とを備える。
[Second embodiment]
(Lithium secondary battery)
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery according to the second embodiment. As shown in FIG. 3, the lithium
電解液、正極110、高分子層120、セパレータ130、負極140、及び正極集電体150の構成、及び好ましい態様は第1の本実施形態のリチウム2次電池100と同様であり、リチウム2次電池300は、リチウム2次電池100と同様の効果を奏するものである。The configurations and preferred aspects of the electrolyte,
リチウム2次電池300において、正極集電体150と高分子層120とが直接接触しているため、アニオン吸着性導電性高分子のアニオンドーピング、すなわち、アニオンの吸着が一層生じやすく、リチウム2次電池300は、リチウム2次電池100に比べて一層サイクル特性が向上すると考えられる。
In the lithium
リチウム2次電池300は、正極集電体150の片面に、第1の本実施形態における高分子層120の形成方法と同様の方法により高分子層120を形成し、更に高分子層120の正極集電体150とは反対の面に、第1の本実施形態における正極110の形成方法と同様の方法により正極110を形成すること以外は、第1の本実施形態におけるリチウム2次電池100の製造方法と同様の方法により製造することができる。The lithium
[第3の本実施形態]
(リチウム2次電池)
図4は、第3の本実施形態に係るリチウム2次電池の概略断面図である。図4に示すように、第3の本実施形態のリチウム2次電池400は、正極410と、負極活物質を有しない負極140と、正極410と負極140との間に配置されているセパレータ130と、図4には図示されていない電解液とを備える。正極集電体150は、正極410のセパレータ130に対向する面とは反対側に配置されている。
[Third embodiment]
(Lithium secondary battery)
Fig. 4 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery according to the third embodiment. As shown in Fig. 4, the lithium
電解液、セパレータ130、負極140、及び正極集電体150の構成、及び好ましい態様は第1の本実施形態のリチウム2次電池100と同様である。
The configurations and preferred aspects of the electrolytic solution,
正極410は、正極活物質に加えて、アニオン吸着性導電性高分子を含有する。すなわち、正極410は、第1の本実施形態のリチウム2次電池100における正極110に、アニオン吸着性導電性高分子を添加したものである。このような態様によれば、リチウム2次電池400は、リチウム2次電池100が奏する効果と同様の効果を奏するだけでなく、一層簡便に製造することができ、生産性に優れる電池とすることができる。
In addition to the positive electrode active material, the
正極410に含まれる正極活物質、及び正極410に含まれていてもよい正極活物質以外の成分(具体的には、導電助剤、バインダー、固体ポリマー電解質、及び無機固体電解質)の種類、例示、好ましい態様、及び含有量は、正極110と同様である。
Types and examples of the positive electrode active material contained in the
正極410に含まれるアニオン吸着性導電性高分子の定義、例示、及び好ましい態様は、第1の本実施形態のリチウム2次電池100における高分子層120と同様である。正極410において、アニオン吸着性導電性高分子の含有量は、正極活物質及びアニオン吸着性導電性高分子の容量の合計に対して、容量比で、好ましくは1%以上15%以下、より好ましくは5%以上10%以下となるように調整される。アニオン吸着性導電性高分子の含有量は、正極410全体に対して、質量比で、1質量%以上25質量%以下であってもよく、3質量%以上20質量%以下であってもよく、5質量%以上15質量%以下であってもよい。
The definition, examples, and preferred embodiments of the anion-adsorbing conductive polymer contained in the
リチウム2次電池400は、正極110の形成時に、正極活物質に加えてアニオン吸着性導電性高分子を添加すること、及び高分子層120を形成しないこと以外は、リチウム2次電池100の製造方法と同様の方法により製造することができる。リチウム2次電池400の製造方法では、リチウム2次電池100の製造方法に比べて、高分子層120を形成する工程を省略することができるため、効率よくリチウム2次電池を製造することができる。The lithium
[第4の本実施形態]
(リチウム2次電池)
図5は、第4の本実施形態に係るリチウム2次電池の概略断面図である。図5に示すように、第4の本実施形態のリチウム2次電池500は、正極110と、負極活物質を有しない負極140と、正極110と負極140との間に配置されている固体電解質510と、正極110と固体電解質510との間に配置されている高分子層120とを備える。正極集電体150は、正極110の高分子層120に対向する面とは反対側に配置されている。
[Fourth embodiment]
(Lithium secondary battery)
Fig. 5 is a schematic cross-sectional view of a lithium secondary battery according to the fourth embodiment. As shown in Fig. 5, a lithium
正極110、高分子層120、負極140、及び正極集電体150の構成、及びその好ましい態様は、第1の本実施形態のリチウム2次電池100と同様であり、リチウム2次電池500は、リチウム2次電池100と同様の効果を奏するものである。リチウム2次電池500は、リチウム2次電池100が備えるような電解液を備えていてもよい。
The configurations of the
(固体電解質)
一般に、液体電解質を備える電池は、液体の揺らぎに起因して、電解質から負極表面に対してかかる物理的圧力が場所によって異なる傾向にある。一方、リチウム2次電池500は、固体電解質510を備えるため、固体電解質510から負極140の表面にかかる圧力が均一であり、負極140の表面に析出するリチウム金属の形状を一層均一にすることができる。すなわち、このような態様によれば、負極140の表面に析出するリチウム金属が、デンドライト状に成長することが一層抑制されるため、リチウム2次電池500のサイクル特性は一層優れたものとなる。
(solid electrolyte)
Generally, in a battery including a liquid electrolyte, the physical pressure applied from the electrolyte to the negative electrode surface tends to vary depending on the location due to fluctuations in the liquid. On the other hand, since the lithium
固体電解質510としては、一般的にリチウム固体2次電池に用いられるものであれば、特に限定されないが、リチウム2次電池500の用途によって、公知の材料を適宜選択することができる。固体電解質510は、好ましくはイオン伝導性を有し、電気伝導性を有しないものである。固体電解質510が、イオン伝導性を有し、電気伝導性を有しないことにより、リチウム2次電池500の内部抵抗が一層低下すると共に、リチウム2次電池500の内部で短絡することを一層抑制することができる。その結果、リチウム2次電池500のエネルギー密度、容量、及びサイクル特性は一層優れたものとなる。The
固体電解質510としては、特に限定されないが、例えば、樹脂及びリチウム塩を含むものが挙げられる。そのような樹脂としては、特に限定されないが、例えば、鎖及び/又は側鎖にエチレンオキサイドユニットを有する樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、エステル樹脂、ナイロン樹脂、ポリシロキサン、ポリホスファゼン、ポリビニリデンフロライド、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミド、ポリイミド、アラミド、ポリ乳酸、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリアセタール、ポリスルホン、及びポリテトラフロロエチレン等が挙げられる。上記のような樹脂は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。
The
固体電解質510に含まれるリチウム塩としては、特に限定されないが、例えば、リチウム2次電池100の電解液が含み得るリチウム塩として例示した塩が挙げられる。上記のようなリチウム塩は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。
The lithium salt contained in the
一般に、固体電解質における樹脂とリチウム塩との含有量比は、樹脂の有する酸素原子と、リチウム塩の有するリチウム原子の比([Li]/[O])によって定められる。固体電解質510において、樹脂とリチウム塩との含有量比は、上記比([Li]/[O])が、好ましくは0.02以上0.20以下、より好ましくは0.03以上0.15以下、更に好ましくは0.04以上0.12以下になるように調整される。
Generally, the content ratio of resin and lithium salt in a solid electrolyte is determined by the ratio of oxygen atoms in the resin to lithium atoms in the lithium salt ([Li]/[O]). In the
固体電解質510は、上記樹脂及びリチウム塩以外の成分を含んでいてもよい。そのような成分としては、特に限定されないが、例えば、溶媒及びリチウム塩以外の塩が挙げられる。リチウム塩以外の塩としては、特に限定されないが、例えば、Na、K、Ca、及びMgの塩等が挙げられる。溶媒としては、特に限定されないが、例えば、リチウム2次電池100が含み得る電解液において例示したものが挙げられる。上記のような溶媒、及びリチウム塩以外の塩は、1種を単独で又は2種以上を併用して用いられる。The
固体電解質510の平均厚さは、好ましくは20μm以下であり、より好ましくは18μm以下であり、更に、好ましくは15μm以下である。そのような態様によれば、リチウム2次電池500における固体電解質510の占める体積が減少するため、リチウム2次電池500のエネルギー密度が一層向上する。また、固体電解質510の平均厚さは、好ましくは5μm以上であり、より好ましくは7μm以上であり、更に、好ましくは10μm以上である。そのような態様によれば、正極110と負極140とを一層確実に隔離することができ、電池が短絡することを一層抑止することができる。The average thickness of the
固体電解質510は、ゲル電解質を含むものとする。ゲル電解質としては、特に限定されないが、例えば、高分子と、有機溶媒と、リチウム塩とを含むものが挙げられる。ゲル電解質における高分子としては、特に限定されないが、例えば、ポリエチレン及び/又はポリエチレンオキシドの共重合体、ポリビニリデンフロライド、並びにポリビニリデンフロライド及びヘキサフロロプロピレンの共重合体等が挙げられる。
(2次電池の製造方法)
リチウム2次電池500は、セパレータに代えて固体電解質を用いること以外は、上述した第1の本実施形態に係るリチウム2次電池100の製造方法と同様にして、製造することができる。
(Method for manufacturing secondary batteries)
The lithium
固体電解質510の製造方法としては、上述した固体電解質510を得られる方法であれば特に限定されないが、例えば、以下のようにすればよい。固体電解質に従来用いられる樹脂、及びリチウム塩(例えば、固体電解質510が含み得るものとして上述した樹脂及びリチウム塩。)を有機溶媒(例えば、N-メチルピロリドン、アセトニトリル)に溶解する。得られた溶液を所定の厚みになるように成形用基板にキャストすることで、固体電解質510を得る。ここで、樹脂及びリチウム塩の配合比は、上記したように、樹脂の有する酸素原子と、リチウム塩の有するリチウム原子との比([Li]/[O])によって定めてもよい。上記比([Li]/[O])は、例えば0.02以上0.20以下である。成形用基板としては、特に限定されないが、例えばPETフィルムやガラス基板を用いてもよい。The method for producing the
[変形例]
上記本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその本実施形態のみに限定する趣旨ではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な変形が可能である。
[Modification]
The above-described embodiment is an example for explaining the present invention, and is not intended to limit the present invention to only this embodiment. The present invention can be modified in various ways without departing from the gist of the invention.
例えば、第1の本実施形態のリチウム2次電池100において、負極140の両面にセパレータ130が形成されていてもよい。この場合、リチウム2次電池は、以下の順番:正極集電体/正極/高分子層/セパレータ/負極/セパレータ/高分子層/正極/正極集電体;で各構成が積層される。そのような態様によれば、リチウム2次電池の容量を一層向上させることができる。
For example, in the lithium
リチウム2次電池500は、リチウム固体2次電池であってもよい。そのような態様によれば、電解液を用いなくてもよいため、電解液漏洩の問題が生じず、電池の安全性が一層向上する。
The lithium
リチウム2次電池において、アニオン吸着性導電性高分子は正極集電体とセパレータの間に配置されている層に含まれていればよく、アニオン吸着性導電性高分子を含む当該層は、上記の高分子層、及び正極に限られず、どのような形態であってもよい。また、アニオン吸着性導電性高分子を含む高分子層は、正極集電体と正極との間、及び正極とセパレータとの間に、分離して2層配置されていてもよい。 In a lithium secondary battery, the anion-adsorbing conductive polymer only needs to be included in a layer disposed between the positive electrode current collector and the separator, and the layer containing the anion-adsorbing conductive polymer is The present invention is not limited to the polymer layer and the positive electrode, and may take any form. Moreover, two polymer layers containing an anion-adsorbing conductive polymer may be separately arranged between the positive electrode current collector and the positive electrode and between the positive electrode and the separator.
また、リチウム2次電池100、及びリチウム2次電池300において、正極110はアニオン吸着性導電性高分子を含んでいてもよい。すなわち、リチウム2次電池は、アニオン吸着性導電性高分子を含む高分子層と、アニオン吸着性導電性高分子を含む正極とを備えていてもよい。In addition, in the lithium
また、リチウム2次電池500において、高分子層120が正極集電体150と正極110との間に配置されていてもよく、正極110がアニオン吸着性導電性高分子を含んでいてもよい。
Furthermore, in the lithium
アニオン吸着性導電性高分子が2以上の層に分かれてリチウム2次電池に含まれる場合、アニオン吸着性導電性高分子の含有量の合計は、正極活物質及びアニオン吸着性導電性高分子の容量の合計に対して、容量比で、好ましくは1%以上15%以下、より好ましくは5%以上10%以下となるように調整される。When the anion-adsorbing conductive polymer is divided into two or more layers and contained in a lithium secondary battery, the total content of the anion-adsorbing conductive polymer is adjusted to be, in terms of volume ratio, preferably 1% or more and 15% or less, more preferably 5% or more and 10% or less, relative to the total capacity of the positive electrode active material and the anion-adsorbing conductive polymer.
また、リチウム2次電池において、セパレータと負極との間に、充放電の際に、リチウム金属が析出、及び/又は溶出することを補助する補助部材を配置してもよい。そのような補助部材としては、リチウム金属と合金化する金属を含有する部材が挙げられ、例えば、負極の表面に形成される金属層であってもよい。そのような金属層としては、例えば、Si、Sn、Zn、Bi、Ag、In、Pb、Sb、及びAlからなる群より選択される少なくとも1種を含有する層が挙げられる。金属層の平均厚さとしては、例えば、5nm以上500nm以下であってもよい。 Furthermore, in the lithium secondary battery, an auxiliary member may be disposed between the separator and the negative electrode to assist the precipitation and/or elution of lithium metal during charging and discharging. Such an auxiliary member may include a member containing a metal that alloys with lithium metal, and may be, for example, a metal layer formed on the surface of the negative electrode. Examples of such a metal layer include a layer containing at least one selected from the group consisting of Si, Sn, Zn, Bi, Ag, In, Pb, Sb, and Al. The average thickness of the metal layer may be, for example, 5 nm or more and 500 nm or less.
リチウム2次電池100が上記のような補助部材を有する態様によれば、負極と負極上に析出するリチウム金属との親和性が一層向上するため、負極上に析出したリチウム金属が剥がれ落ちることが一層抑制され、サイクル特性が一層向上する傾向にある。なお、補助部材は、リチウム金属と合金化する金属を含有しうるが、その容量は正極の容量に比べて十分小さいものである。典型的なリチウムイオン2次電池において、負極が有する負極活物質の容量は、正極の容量と同程度となるように設定されるが、当該補助部材の容量は正極の容量に比べて十分小さいため、そのような補助部材を備えるリチウム2次電池100は、「負極活物質を有しない負極を備える」ということができる。したがって、補助部材の容量は、正極の容量に対して十分小さく、例えば、20%以下、15%以下、10%以下、又は5%以下である。According to the aspect in which the lithium
本実施形態のリチウム2次電池は、初期充電の前に、セパレータ又は固体電解質と、負極との間にリチウム箔が形成されていても、されていなくてもよい。本実施形態のリチウム2次電池は、初期充電の前に、セパレータ又は固体電解質と、負極との間にリチウム箔が形成されていない場合、製造の際に可燃性の高いリチウム金属を用いなくてよいため、一層安全性及び生産性に優れるリチウム2次電池となる。 The lithium secondary battery of this embodiment may or may not have a lithium foil formed between the separator or the solid electrolyte and the negative electrode before initial charging. In the lithium secondary battery of this embodiment, if lithium foil is not formed between the separator or solid electrolyte and the negative electrode before initial charging, highly flammable lithium metal may not be used during manufacturing. As a result, the lithium secondary battery has even better safety and productivity.
本実施形態のリチウム2次電池は、負極の表面において、当該負極に接触するように配置される集電体を有していてもよく、有していなくてもよい。そのような集電体としては、特に限定されないが、例えば、負極材料に用いることのできるものが挙げられる。なお、リチウム2次電池が負極集電体を有しない場合、負極自身が集電体として働く。 The lithium secondary battery of this embodiment may or may not have a current collector disposed on the surface of the negative electrode so as to be in contact with the negative electrode. Such a current collector is not particularly limited, but includes, for example, those that can be used as a negative electrode material. Note that when the lithium secondary battery does not have a negative electrode current collector, the negative electrode itself acts as a current collector.
本実施形態のリチウム2次電池は、正極集電体及び/又は負極に、外部回路へと接続するための端子を取り付けてもよい。例えば10μm以上1mm以下の金属端子(例えば、Al、Ni等)を、正極集電体及び負極の片方又は両方にそれぞれ接合してもよい。接合方法としては、従来公知の方法を用いればよく、例えば超音波溶接を用いてもよい。 In the lithium secondary battery of this embodiment, a terminal for connecting to an external circuit may be attached to the positive electrode current collector and/or the negative electrode. For example, a metal terminal (for example, Al, Ni, etc.) with a size of 10 μm or more and 1 mm or less may be bonded to one or both of the positive electrode current collector and the negative electrode, respectively. As a joining method, a conventionally known method may be used, for example, ultrasonic welding may be used.
なお、本明細書において、「エネルギー密度が高い」又は「高エネルギー密度である」とは、電池の総体積又は総質量当たりの容量が高いことを意味するが、好ましくは800Wh/L以上又は350Wh/kg以上であり、より好ましくは900Wh/L以上又は400Wh/kg以上であり、更に好ましくは1000Wh/L以上又は450Wh/kg以上である。 In this specification, "high energy density" or "high energy density" means that the capacity per total volume or total mass of the battery is high, preferably 800Wh/L or more or 350Wh/L. /kg or more, more preferably 900Wh/L or more or 400Wh/kg or more, still more preferably 1000Wh/L or more or 450Wh/kg or more.
また、本明細書において、「サイクル特性に優れる」とは、通常の使用において想定され得る回数の充放電サイクルの前後において、電池の容量の減少率が低いことを意味する。すなわち、初期充電の後の1回目の放電容量と、通常の使用において想定され得る回数の充放電サイクル後の放電容量とを比較した際に、充放電サイクル後の放電容量が、初期充電の後の1回目の放電容量に対してほとんど減少していないことを意味する。ここで、「通常の使用において想定され得る回数」とは、リチウム2次電池が用いられる用途にもよるが、例えば、30回、50回、70回、100回、300回、又は500回である。また、「充放電サイクル後の放電容量が、初期充電の後の1回目の放電容量に対してほとんど減少していない」とは、リチウム2次電池が用いられる用途にもよるが、例えば、充放電サイクル後の放電容量が、初期充電の後の1回目の放電容量に対して、60%以上、65%以上、70%以上、75%以上、80%以上、又は85%以上であることを意味する。 Furthermore, in this specification, "excellent cycle characteristics" means that the rate of decrease in battery capacity is low before and after the number of charge/discharge cycles that can be expected in normal use. In other words, when comparing the first discharge capacity after the initial charge and the discharge capacity after the expected number of charge/discharge cycles in normal use, the discharge capacity after the charge/discharge cycle is the same as the discharge capacity after the initial charge. This means that the discharge capacity has hardly decreased compared to the first discharge capacity. Here, "the number of times that can be expected in normal use" depends on the application in which the lithium secondary battery is used, but for example, 30 times, 50 times, 70 times, 100 times, 300 times, or 500 times. be. In addition, "the discharge capacity after a charge/discharge cycle has hardly decreased compared to the first discharge capacity after the initial charge" depends on the application in which the lithium secondary battery is used, but for example, The discharge capacity after the discharge cycle is 60% or more, 65% or more, 70% or more, 75% or more, 80% or more, or 85% or more of the first discharge capacity after the initial charge. means.
[アノードフリー電池]
本実施形態のアノードフリー電池は、正極集電体と、負極と、正極集電体と負極の間に配置されているセパレータと、正極集電体とセパレータの間に配置されている正極活物質を有する正極と、電解液と、を備え、正極集電体とセパレータの間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む。本実施形態のアノードフリー電池は、上述したリチウム2次電池において、電荷キャリアとなる金属イオンがリチウムイオンに限られず、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、及びアルミニウムイオン等であってもよいものである。
[Anode-free battery]
The anode-free battery of this embodiment includes a positive electrode current collector, a negative electrode, a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode, and a positive electrode active material disposed between the positive electrode current collector and the separator. and an electrolytic solution, and includes a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the separator. In the anode-free battery of this embodiment, in the lithium secondary battery described above, the metal ions serving as charge carriers are not limited to lithium ions, but may also be sodium ions, calcium ions, magnesium ions, aluminum ions, etc. be.
本実施形態のアノードフリー電池は、電荷キャリアとなる金属イオンがリチウムイオンに限られず、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、及びアルミニウムイオン等であってもよいこと以外は、上述したリチウム2次電池と同様の構成であり、上述したリチウム2次電池と同様の効果を奏する。したがって、本実施形態のアノードフリー電池によれば、エネルギー密度及び容量が高く、サイクル特性に優れるアノードフリー電池を提供することができる。The anode-free battery of this embodiment has the same configuration as the lithium secondary battery described above, except that the metal ions serving as charge carriers are not limited to lithium ions, and may be sodium ions, calcium ions, magnesium ions, aluminum ions, etc., and has the same effects as the lithium secondary battery described above. Therefore, the anode-free battery of this embodiment can provide an anode-free battery with high energy density and capacity and excellent cycle characteristics.
なお、アノードフリー電池における負極活物質とは、電池において電荷キャリアとなる金属イオン、又はその金属を負極に保持するための物質を意味し、当該金属元素(典型的には当該金属)のホスト物質と換言してもよい。また、アノードフリー電池における正極活物質とは、電池において電荷キャリアとなる金属イオン、又はその金属を正極に保持するための物質を意味し、当該金属元素(典型的には当該金属の金属イオン)のホスト物質と換言してもよい。アノードフリー電池における負極活物質、及び正極活物質は、従来公知のものを用いることができる。In addition, the negative electrode active material in an anode-free battery means a metal ion that becomes a charge carrier in a battery, or a material for holding the metal at the negative electrode, and may be referred to as a host material for the metal element (typically the metal). In addition, the positive electrode active material in an anode-free battery means a metal ion that becomes a charge carrier in a battery, or a material for holding the metal at the positive electrode, and may be referred to as a host material for the metal element (typically the metal ion). The negative electrode active material and positive electrode active material in an anode-free battery may be conventionally known materials.
以下、本発明を実施例及び比較例を用いてより具体的に説明する。本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail using Examples and Comparative Examples. The present invention is not limited in any way by the following examples.
[実施例1]
以下のようにしてリチウム2次電池を作製した。
まず、10μmの電解Cu箔を、スルファミン酸を含む溶剤で洗浄した後に所定の大きさ(45mm×45mm)に打ち抜き、更に、エタノールで超音波洗浄した後、乾燥させた。その後、Cu箔を脱脂し、純水で洗浄した後、Sbイオンを含むめっき浴に浸漬した。Cu箔を水平に静置したままCu箔表面を電解めっきすることにより、Cu箔の表面に金属層として100nm厚のSbをめっきした。Cu箔をめっき浴から取り出し、エタノールで洗浄、純水で洗浄した。Sb薄膜がコーティングされたCu箔を負極として用いた。
[Example 1]
A lithium secondary battery was produced as follows.
First, a 10 μm electrolytic Cu foil was cleaned with a solvent containing sulfamic acid, then punched out into a predetermined size (45 mm x 45 mm), further ultrasonically cleaned with ethanol, and then dried. Thereafter, the Cu foil was degreased, washed with pure water, and then immersed in a plating bath containing Sb ions. By electrolytically plating the surface of the Cu foil while the Cu foil was left horizontally, Sb with a thickness of 100 nm was plated as a metal layer on the surface of the Cu foil. The Cu foil was taken out of the plating bath, washed with ethanol, and then washed with pure water. A Cu foil coated with an Sb thin film was used as the negative electrode.
セパレータとして、12μmのポリエチレン微多孔膜の両面に2μmのポリビニリデンフロライド(PVdF)がコーティングされた、厚さ16μm、所定の大きさ(50mm×50mm)のセパレータを準備した。A separator of a specified size (50 mm x 50 mm) and a thickness of 16 μm was prepared, consisting of a 12 μm polyethylene microporous membrane coated on both sides with 2 μm of polyvinylidene fluoride (PVdF).
次に、導電性高分子として市販されているポリアニリンをm-キシレンに溶解させて、高分子溶液を得た。上記セパレータの片面に、ポリアニリンを含む高分子溶液を塗付し、乾燥させることにより、ポリアニリンからなる高分子層を形成した。高分子層の厚さは1.0μmであった。なお、アニオン吸着性導電性高分子の含有量は、正極活物質及びアニオン吸着性導電性高分子の容量の合計に対して、容量比で、8.0%であった。Next, polyaniline, which is commercially available as a conductive polymer, was dissolved in m-xylene to obtain a polymer solution. The polymer solution containing polyaniline was applied to one side of the separator and dried to form a polymer layer made of polyaniline. The thickness of the polymer layer was 1.0 μm. The content of the anion-adsorbing conductive polymer was 8.0% by volume relative to the total volume of the positive electrode active material and the anion-adsorbing conductive polymer.
正極は以下のようにして作製した。正極活物質としてLiNi0.85Co0.12Al0.03O2を96質量部、導電助剤としてカーボンブラックを2質量部、及びバインダーとしてポリビニリデンフロライド(PVdF)を2質量部混合したものを、正極集電体としての12μmのAl箔の片面に塗布し、プレス成型した。得られた成型体を、打ち抜き加工により、所定の大きさ(40mm×40mm)に打ち抜き、正極集電体に形成された正極を得た。 The positive electrode was prepared as follows. A mixture of 96 parts by mass of LiNi0.85Co0.12Al0.03O2 as a positive electrode active material, 2 parts by mass of carbon black as a conductive assistant, and 2 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder was applied to one side of a 12 μm Al foil as a positive electrode current collector and press molded. The obtained molded body was punched out to a predetermined size (40 mm x 40 mm) by punching to obtain a positive electrode formed on the positive electrode current collector.
電解液は以下のように調製した。ジメトキシエタン(DME)と、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル(TFEE)とを体積比10:90で混合させた溶液を溶媒とし、電解質としてLiN(SO2F)2(LiFSI)を溶解させることによって、1.25M LiFSI溶液を調製した。 The electrolyte was prepared as follows: A 1.25 M LiFSI solution was prepared by dissolving LiN(SO 2 F) 2 (LiFSI) as an electrolyte in a solvent of a 10:90 volumetric ratio of dimethoxyethane (DME) and 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether (TFEE).
以上のようにして得られた正極集電体に形成された正極、高分子層が形成されたセパレータ、及び負極を、この順に積層することによって、図1に示すような積層体を得た。更に、正極集電体及び負極に、それぞれ100μmのAl端子及び100μmのNi端子を超音波溶接で接合した後、ラミネートの外装体に挿入した。次いで、上記の電解液を外装体に注入した。外装体を封止することにより、リチウム2次電池を得た。The positive electrode formed on the positive electrode current collector obtained as described above, the separator on which the polymer layer was formed, and the negative electrode were laminated in this order to obtain a laminate as shown in Figure 1. Furthermore, a 100 μm Al terminal and a 100 μm Ni terminal were joined to the positive electrode current collector and the negative electrode, respectively, by ultrasonic welding, and then inserted into a laminate exterior body. Next, the above-mentioned electrolyte was injected into the exterior body. The exterior body was sealed to obtain a lithium secondary battery.
[実施例2~5]
高分子層の形成の際に、ポリアニリンに代えて表1に記載の各アニオン吸着性導電性高分子を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウム2次電池を得た。なお、各アニオン吸着性導電性高分子は、市販のものを用い、高分子層の厚さは、実施例1と同じになるようにした。
[Examples 2 to 5]
A lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1, except that, in forming the polymer layer, each of the anion-adsorbing conductive polymers shown in Table 1 was used instead of polyaniline. Note that, each of the anion-adsorbing conductive polymers used was a commercially available product, and the thickness of the polymer layer was set to be the same as in Example 1.
[実施例6~8]
負極の作製の際に、Sb金属層を形成せず、負極として10μmの電解Cu箔を用いたこと、及び高分子層の形成の際に、ポリアニリンに代えて表1に記載の各アニオン吸着性導電性高分子を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウム2次電池を得た。なお、各アニオン吸着性導電性高分子は、市販のものを用い、高分子層の厚さは、実施例1と同様になるようにした。
[Examples 6 to 8]
A lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1, except that in producing the negative electrode, an Sb metal layer was not formed, and a 10 μm electrolytic Cu foil was used as the negative electrode, and in forming the polymer layer, each anion-adsorbing conductive polymer shown in Table 1 was used instead of polyaniline. Note that each anion-adsorbing conductive polymer used was a commercially available product, and the thickness of the polymer layer was set to be the same as in Example 1.
[実施例9]
実施例1と同様にして、Sb薄膜がコーティングされたCu箔を負極として準備した。また、実施例1と同じセパレータ、及び電解液を準備した。
[Example 9]
A Cu foil coated with a thin Sb film was prepared as a negative electrode in the same manner as in Example 1. The same separator and electrolyte as in Example 1 were also prepared.
正極は以下のようにして作製した。正極活物質としてLiNi0.85Co0.12Al0.03O2を85質量部、導電助剤としてカーボンブラックを2.0質量部、バインダーとしてポリビニリデンフロライド(PVdF)を3.0質量部、及びアニオン吸着性導電性高分子としてポリアニリンを10質量部混合したものを、正極集電体としての12μmのAl箔の片面に塗布し、プレス成型した。得られた成型体を、打ち抜き加工により、所定の大きさ(40mm×40mm)に打ち抜き、正極集電体に形成された正極を得た。アニオン吸着性導電性高分子の含有量は、正極活物質及びアニオン吸着性導電性高分子の容量の合計に対して、容量比で、8.0%であった。 The positive electrode was produced as follows. 85 parts by mass of LiNi 0.85 Co 0.12 Al 0.03 O 2 as a positive electrode active material, 2.0 parts by mass of carbon black as a conductive aid, 3.0 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, and anion adsorption property. A mixture of 10 parts by mass of polyaniline as a conductive polymer was coated on one side of a 12 μm Al foil as a positive electrode current collector, and press-molded. The obtained molded body was punched out into a predetermined size (40 mm x 40 mm) to obtain a positive electrode formed as a positive electrode current collector. The content of the anion-adsorptive conductive polymer was 8.0% in terms of capacity ratio with respect to the total capacity of the positive electrode active material and the anion-adsorptive conductive polymer.
以上のようにして得られた正極集電体に形成された正極、セパレータ、及び負極を、この順に積層することによって、図4に示すような積層体を得た。得られた積層体を用いて実施例1と同様にしてリチウム2次電池を得た。 The positive electrode, separator, and negative electrode formed on the positive electrode current collector obtained as described above were laminated in this order to obtain a laminate as shown in FIG. 4. A lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1 using the obtained laminate.
[比較例1]
高分子層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして、リチウム2次電池を得た。
[Comparative Example 1]
A lithium secondary battery was obtained in the same manner as in Example 1, except that the polymer layer was not formed.
[エネルギー密度及びサイクル特性の評価]
以下のようにして、各実施例及び比較例で作製したリチウム2次電池のエネルギー密度及びサイクル特性を評価した。
[Evaluation of energy density and cycle characteristics]
The energy density and cycle characteristics of the lithium secondary batteries produced in each example and comparative example were evaluated as follows.
作製したリチウム2次電池を、7mAで、電圧が4.2Vになるまで充電した(初期充電)後、7mAで、電圧が3.0Vになるまで放電した(以下、「初期放電」という。)。次いで、35mAで、電圧が4.2Vになるまで充電した後、35mAで、電圧が3.0Vになるまで放電するサイクルを、温度25℃の環境で繰り返した。各例について、初期放電から求められた容量(以下、「初期容量」という。)を表1に示す。また、各例について、その放電容量が初期容量の80%になったときのサイクル回数(表中、「80%サイクル回数」という。)を表1に示す。 The produced lithium secondary battery was charged at 7 mA until the voltage reached 4.2 V (initial charge), and then discharged at 7 mA until the voltage reached 3.0 V (hereinafter referred to as "initial discharge"). . Next, a cycle of charging at 35 mA until the voltage reached 4.2 V and discharging at 35 mA until the voltage reached 3.0 V was repeated in an environment at a temperature of 25°C. For each example, the capacity determined from the initial discharge (hereinafter referred to as "initial capacity") is shown in Table 1. Further, for each example, the number of cycles when the discharge capacity reached 80% of the initial capacity (referred to as "80% cycle number" in the table) is shown in Table 1.
表1中、「PAn」はポリアニリンを、「Ppy」はポリピロールを、「PTp」はポリチオフェンを、「PEDOT」はポリエチレンジオキシチオフェンを、「PPP」はポリp-フェニレンを、「PF」はポリフルオレンを、「PPv」はポリp-フェニレンビニレンを、「PTv」はポリチエニレンビニレンを、「PE」はポリエチレン微多孔膜を、NCAはLiNi0.85Co0.12Al0.03O2を、それぞれ意味する。また、高分子層の欄における「-」は、高分子層を有しないことを意味する。 In Table 1, "PAn" is polyaniline, "Ppy" is polypyrrole, "PTp" is polythiophene, "PEDOT" is polyethylenedioxythiophene, "PPP" is polyp-phenylene, and "PF" is polypropylene. fluorene, "PPv" means poly p-phenylene vinylene, "PTv" means polythienylene vinylene, "PE" means polyethylene microporous membrane, and NCA means LiNi 0.85 Co 0.12 Al 0.03 O 2 . Further, "-" in the column of polymer layer means that there is no polymer layer.
表1から、正極集電体とセパレータの間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む実施例1~9は、そうでない比較例1と比較して、初期容量、及び80%サイクル回数が高く、容量、及びサイクル特性に優れることがわかる。From Table 1, it can be seen that Examples 1 to 9, which include a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode collector and the separator, have higher initial capacity and 80% cycle count, and are superior in capacity and cycle characteristics, compared to Comparative Example 1, which does not.
本発明のリチウム2次電池は、エネルギー密度及び容量が高く、サイクル特性に優れるため、様々な用途に用いられる蓄電デバイスとして、産業上の利用可能性を有する。 Since the lithium secondary battery of the present invention has high energy density and capacity and excellent cycle characteristics, it has industrial applicability as a power storage device used in various applications.
100,200,300,400,500…リチウム2次電池、110,410…正極、120…高分子層、130…セパレータ、140…負極、150…正極集電体、210…負極端子、220…正極端子、510…固体電解質。 100,200,300,400,500... Lithium secondary battery, 110,410... Positive electrode, 120... Polymer layer, 130... Separator, 140... Negative electrode, 150... Positive electrode current collector, 210... Negative electrode terminal, 220... Positive electrode Terminal, 510...Solid electrolyte.
Claims (11)
負極活物質を有しない負極と、
前記正極集電体と前記負極の間に配置されているセパレータと、
前記正極集電体と前記セパレータの間に配置されている正極活物質を有する正極と、
電解液と、
を備える、リチウム2次電池であって、
前記正極集電体と前記セパレータの間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む、
リチウム2次電池。 a positive electrode current collector;
a negative electrode having no negative electrode active material;
a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode;
a positive electrode having a positive electrode active material disposed between the positive electrode current collector and the separator;
electrolyte and
A lithium secondary battery comprising:
a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the separator;
Lithium secondary battery.
負極活物質を有しない負極と、
前記正極集電体と前記負極の間に配置されている固体電解質と、
前記正極集電体と前記固体電解質の間に配置されている正極活物質を有する正極と、
を備える、リチウム2次電池であって、
前記正極集電体と前記固体電解質の間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む、
リチウム2次電池。 A positive electrode current collector;
a negative electrode having no negative electrode active material;
a solid electrolyte disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode;
a positive electrode having a positive electrode active material disposed between the positive electrode current collector and the solid electrolyte;
A lithium secondary battery comprising:
a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the solid electrolyte;
Lithium secondary battery.
負極と、
前記正極集電体と前記負極の間に配置されているセパレータと、
前記正極集電体と前記セパレータの間に配置されている正極活物質を有する正極と、
電解液と、
を備える、アノードフリー電池であって、
前記正極集電体と前記セパレータの間にアニオン吸着性導電性高分子を含有する層を含む、
アノードフリー電池。 a positive electrode current collector;
a negative electrode;
a separator disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode;
a positive electrode having a positive electrode active material disposed between the positive electrode current collector and the separator;
electrolyte and
An anode-free battery comprising:
a layer containing an anion-adsorbing conductive polymer between the positive electrode current collector and the separator;
Anode free battery.
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